Kvantitativa vätskefasmätningar i rötningsprocessen med FT-IR/ATR

Transkript

1 Kvantitativa vätskefasmätningar i rötningsprocessen med FT-IR/ATR Framställning av kalibreringsdata för att möjliggöra beräkningar av kvantitativa modeller för bestämning av processparametrar i rötningsprocessen. Kim Lönnqvist

2 PROJEKTARBETE Författare: Kim Lönnqvist Utbildningsprogram och ort: Miljöteknik, Vasa Handledare: Tom Lillhonga Titel: Kvantitativa vätskefasmätningar i rötningsprocessen med FT-IR/ATR Datum: Sidantal: 42 Bilagor: - I projektarbetet presenteras kvantitativa modeller, baserade på FT-IR mätningar, för att bestämma processparametrar i en anaerob rötningsprocess. Rötningen gjordes i bioreaktorer placerade i yrkeshögskolan Novias laboratorium Technobotnia. Under projektets gång användes en FT-IR/ATR maskin för spektroskopiska mätningar samt mjukvaran Matlab och PLS_Toolbox för datahantering. Språk: Svenska Nyckelord: biogas, rötningsprocess, vätskefasmätningar, FT- IR, PLS, infraröd spektroskopi, multivariat kalibrering.

3 PROJECT REPORT Author: Kim Lönnqvist Degree Programme and location: Environmental Technology, Vaasa. Supervisor: Tom Lillhonga Title: Quantitative liquid phase measurements in the digestion process by FT-IR/ATR Date: Number of pages: 42 Appendices: - The project task consisted of producing calibration data to allow calculation of quantitative models for determination of process parameters in the anaerobic digestion process of two, laboratory scaled, biogas reactors located at Novia University of Applied Sciences in Vaasa. During the course of the project a FT-IR/ATR machine were used for spectroscopic measurements and the software Matlab and PLS_Toolbox for data management. Language: Swedish Key words: Biogas, digestion process, liquid phase measurements, FT-IR, PLS, infrared spectroscopy, multivariate calibration.

4 Innehåll 1 Inledning Uppgift Arbetsgivare Projekt Mare Purum Anaerobisk rötning Biogas Produktion av biogas Miljövänlighet Användning Infraröd spektroskopi Introduktion till FTIR Introduktion till ATR Svårigheter vid mätning ATR kristall Använt mätinstrument Mjukvara MATLAB PLS Toolbox PLS i detta projekt Prover Processprov Rena komponenter Spetsning av processprov Tillverkning av spetslösningar Användning av spetslösningar Utförande Före centrifugering Efter centrifugering Resultat Processproverna Saltlösningar Diskussion Sammanfattning... 38

5 8.1 Författarens anmärkningar Källförteckning Källor Bilder och Figurer... 42

6 1 1 Inledning På grund av en växande befolkning samt vårt ökat beroende på teknik och kommunikation tvingar det oss att bygga nya och större kraftverk för att täcka energibehovet. Tyvärr så vill man gärna dra sig mot snabbt byggda och billiga välbeprövade metoder såsom kol och olja, men allt eftersom vår miljömedvetna tänkande utvecklas så ökar även efterfrågan på ren och grön energi. Fossila bränslen används ännu i allra högsta grad men förnyelsebara resurser är framtiden. Detta projektarbete kommer att behandla en väldigt specifik del av ett ämne, nämligen övervakningen av en biogasreaktor med hjälp av infraröd apparatur. Biogasreaktorer utnyttjar anaerobisk rötning för bildandet av biogas och det är relativt lätt att övervaka saker som temperatur, att omröringen fungerar och inflödet av substrat. Det som inte är lika lätt är övervakningen av vad som sker med mikroorganismerna inuti reaktorerna och den kemiska sammansättningen. Med hjälp av infraröd spektroskopi kan man lättare övervaka och bestämma olika processparametrar inuti reaktorerna i vätskefasen på ett effektivt sätt. I projektrapporten berättas det först allmänt om anaerobisk rötning samt infraröd spektroskopi. Senare om hur själva experimenten har gått till väga samt vilken utrustning som använts. Till sist visas resultat över hur IR spektroskopi kan användas för att bestämma halter av olika komponenter i prov tagna från vätskefasen i en biogas reaktor. 1.1 Uppgift Uppgiften som har utförts och är dokumenterad i denna projektrapport består av att framställa kalibreringsdata för att möjliggöra beräkningar av kvantitativa modeller för bestämning av viktiga processparametrar i rötningsprocessen med ett FT-IR/ATR (= Fourier Transform Infrared Radiation Attenuated Total Reflection) instrument. Utförandet av mätningarna skedde till största del i augusti Arbetsgivare Uppgiften har utförts på beställning av Yrkeshögskolan Novias Forskning och Utvecklings enhet. FoU vid Novia har sex fokusområden:

7 2 Hållbar energiteknik Naturresursförvaltning Fartygssimulation Konst, hälsa och välfärd Äldres hälsa och livsvillkor Serviceinnovation Dessa sex enheter är utspridda på olika orter i Finland och den enhet, miljö- och energiteknik, som denna uppgift har som beställare finns lokaliserat på Brändö i Vasa. [21] FoU-Brändös verksamhet riktar sig som namnet antyder in sig på experimentell forskning och projektarbete gällande grön energi och har en stark koppling till det välkända Vasa energikluster. Eftersom enheten finns i forskningscentret Technobohtnia har den stora möjligheter att samarbeta med kringliggande högskolor och företag samt utnyttja teknisk utrustning för kemiska och tekniska experiment. [22] Projekt Mare Purum Mare Purum är namnet på projektet som har beställt denna utredning. Det fokuserar på kemiska, biologiska och spektroskopiska studier av strömmar i biologisk avloppsvattenrening. Syftet är att när projektet avslutas år 2014 kunna tillämpa kunskapen man fått på biologiska avloppsvattenreningsverk tillhörande både privata och kommunala ägare kring Östersjön. Specifikt i Österbotten i Finland och Västerbotten i Sverige som hör till det s.k. Botnia - Atlantica området. Förutom att höja kunskapen och hjälpa till att skydda Östersjön hjälper projektet även till med ökat internationellt samarbete. De största aktörerna i projektet är Novia, Umeå Universitet, KETEK, Vasa Yrkeshögskola och Sveriges Lantbruksuniversitetet. [4]

8 3 2 Anaerobisk rötning Anaerobisk rötning betyder att mikroorganismer bryter ned organiskt material t.ex. matrester, växthusavfall, svinsväm och dylikt i en anaerob d.v.s. syrefri miljö. 2.1 Biogas Det går inte att namnge en specifik mikrob som sköter nedbrytningen utan den sköts av ett stort antal olika. Grundmaterialet för biogasen är att det biologiska substratet, substrat är benämningen på materialet som används i biogasreaktorer, bestående av kolhydrater, fetter och proteiner bryts ner och bildar bl.a. metan (CH4) och koldioxid (CO2). Den gasen som alla biogasproducenter vill ha är metan, som är biogasens viktigaste beståndsdel och även dess energirikaste. En normalkubikmeter (Nm 3 ) biogas med en halt på minst 97 % metan har ett energiinnehåll på 9,67 kwh, det kan jämföras med 1 l diesel som har ett energiinnehåll på 9,06 kwh eller 1 Nm 3 naturgas med 11,0 kwh. CO2 däremot bidrar med ingen energi alls så därför är halten av metan som fås från biogasreaktorerna ytters viktigt att veta och att försöka maximera. [9] Biogas kan användas till värme- och elproduktion men även till fordonsbränsle. Det viktigaste är att biogasen är förnybar och bidrar inte till att öka mängden CO2 i atmosfären. [8] 2.2 Produktion av biogas Som vi kan se i figur 2-1 är det första man behöver någon typ av organiskt material som utnyttjas i den anaeroba rötningen, kallat substrat. Figur 2-1: Produktionsprocessen av biogas. [11] Eftersom projektets reaktorer var byggda i laboratorieskala, endast 38 liter, kunde vi utnyttja lokalt material som inte normalt finns i stor utsträckning. Åtminstone inte så att

9 4 det går att avhämta stora mängder från en central plats. Exempelvis växthusavfallet finns i stora mängder spritt över ett stort område vid enskilda växthus kilometervis från varandra. I stora biogasverk utnyttjas dock material som redan finns tillgängligt i större utsträckningen såsom avloppsslam; gödsel och växter från bondgårdar; matrester och gammal oanvänd mat från varuhus, fabriker och storkök. I regel får man bästa resultaten om man röter olika material tillsammans. I vissa fall kan förbehandling krävas t.ex. om substratet inte är tillräckligt finfördelat för att pumpning, mottagningssystem, omrörning och själva rötningen skall fungera optimalt. En stor del av hushållsavfallet från privathushåll och livsmedelsindustrin innehåller både biologiskt material som kan rötas och förpackningar som måste avskiljas före det introduceras till reaktorn. Avloppsslam är för vattenrikt vilket betyder att det tar upp för mycket rum i reaktorn medan annat substrat kan vara för torrt så att man måste tillföra vatten till processen. I alla fall är förbehandlingen viktigt och individuellt varierande från substrat till substrat för att få rötningen att fungera på bästa vis. Den bästa lösningen är förstås att blanda substraten, ett för torrt och ett för utspätt, för att undvika onödiga mellansteg. Inuti reaktorerna där själva rötningsprocessen sker indelas processen i tre steg; hydrolys, fermentation och metanbildning vilket kan ses i figur 2-2. Figur 2-2: Schema över biogasprocessen. I hydrolysen utnyttjas enzymer och mikroorganismer för att bryta ner långa komplexa organiska föreningar såsom proteiner, kolhydrater och fetter till socker och aminosyror. I fermentationen, också kallat jäsningen, bryts sockret och aminosyrorna ner till alkoholer, fettsyror, CO2 och vätgas. I metanbildningen ger namnet på steget en bra bild om exakt vad som sker. Här bildas själva metangasen och mikroorganismerna som står för denna process har väldigt specifika krav på ph-värdet, temperaturen samt tillgången till

10 5 specifika spårämnen och vitaminer. De måste även ha en helt syrefri miljö, d.v.s. de är anaeroba mikroorganismer. Det tekniska namnet på gasen som samlas in från toppen av reaktorn kallas rågas därför att den innehåller för stora delar koldioxid, %, för att direkt kunna användas som högkvalitets biogas. Processen att avskilja koldioxiden kallas uppgradering. Även små mängder av svavelväten, vattenånga, partiklar och andra föroreningar måste renas bort. Om metanhalten höjs till minst 95 % i biogasen klassificeras den som uppgraderad biogas och det betyder att den kan användas på samma sätt som naturgas. Det material som kommer ur bottnen av reaktorn, oftast i en slamliknande konsistens men kan även vara fast eller flytande, kallas rötrest. Rötresten innehåller vatten, näringsämnen, mikroorganismer, biologiskts material som inte har brutits ner och allt material som inte är biologiskt nedbrytbart. Rötresten samlas upp och används vanligen direkt som gödsling eller för vidare behandling till ett företag som tillverkar jordförbättringsmedel. Det enda som måste tas i beaktande är att rötresten inte innehåller gifter såsom tungmetaller eller sjukdomsalstrande mikroorganismer. [11] 2.3 Miljövänlighet Den viktigaste punkten i denna tid med klimatförändring och global uppvärmning är att förbränning av biogas inte medför något nettotillskott av koldioxid till jordens atmosfär. Även utsläppen av partiklar som kan bilda smog eller bidra till andningssvårigheter för astmatiker är så obetydliga att de kan klassas som försumbara. En fördel som gasmotorer har över diselmotorer som inte påverkar det globala klimatet men snarare lokalmiljön, t.ex. inne i en stadskärna, är att de vibrerar mindre och därmed har minde oljud samt att "avgasen" inte luktar lika obehagligt. [10] Tack vare dess minskade koldioxidutsläpp bidrar biogasanvändningen till att uppnå EU:s klimatmål till D.v.s. att minska den Europeiska Unionens CO2 utsläpp med 20 % från år 1990s nivå, höja energiproduceringen från förnybara resurser till 20 % samt en 20 % förbättring av EU:s energieffektivitet. En indirekt fördel fås från att man ser avfall som en råvara och inte som just avfall, stora summor sparas in på deponerings eller förbränningskostnader beroende på hur avfallet hanterades tidigare.

11 6 2.4 Användning Det finns ett antal metoder som man kan utnyttjas för att ta till vara energin i biogasen eller, som redan nämnts i kapitel 2.2, näringsvärdet i rötresten. Ett exempel i Korsholm är att biogasen från Stormossen används för att värma upp den loka idrottsanläggningen Botniahallen. Biogasen kan även användas för elproduktion, pumpas in till fjärrvärmenätet eller som drivmedel för fordon. Användningen av biogas som fordonsbränsle är det område som växer snabbast och är populärt att tillämpa på busstrafiken i storstäder i bl.a. Sverige och Tyskland. För att biogasen skall kunna användas som drivmedel måste den ha en halt på minst 95 % metan. Personbilar som använder gasen är oftast s.k. tvåbränslebilar som har två olika tankar och en motor som kan utnyttja både bensin och gas. Tunga fordon däremot som lastbilar och bussar som rör sig mycket i trafiken är allt som oftast anpassade för endast ett sorts bränsle. Bussar är speciellt bra för att driva på gas eftersom de ofta rör sig i städerna och gasmotorerna producerar mindre smog samt att de oftast rör sig på i stora drag i samma begränsade område. I Finland är det stor brist på tankstationer men det påverkar inte lokaltrafiken. Om man får upp halten metan tillräckligt högt kan metanmolekylen, strukturen ses i figur 2-3, användas som råvara i tillverkning av färger, plast, djurfoder, smörjoljor eller annat som kräver metan. Om företaget producerar egen biogas kan de bli helt självförsörjande på både el och värme. Ytterligare som bonus så brinner metan med en klarare låga så rör och pannor smutsas inte ned av sot och partiklar lika snabbt. [8] Figur 2-3: En metanmolekyl består av en kolatom och fyra väteatomer.

12 7 3 Infraröd spektroskopi I detta kapitel kommer processen med FTIR ATR mätningar att förklaras. Förkortningen står för Fourier Transform Infrared Radiation Attenuated Total Reflection. [17] 3.1 Introduktion till FTIR Det finns två metoder för infraröda mätningar, nämligen Transmission och Reflection. Skillnaden mellan dessa är att transmissionsstrålning går rakt igenom ett prov medan reflektionsstrålning reflekteras mot provets yta. Det är enklare att förbereda prov för reflektionsmätningar så det är den föredragna metoden för kvantitativa analyser. Reflektions FTIR tekniken fungerar bäst för vätskor, fasta ämnen, geler och beläggningar; transmissions fungerar bäst för vätskor, gaser och fasta ämnen. [17] Tabell 3-1: Tabell över vanliga funktionella grupper och våglängden som de absorberas på. [14] Funktionell grupp Absorptionsområde (cm -1 ) O-H N-H , , =CH-H , , =C-H , =-CH , , , O=H , , C C , C=O C=C C-N C-O-C C-H Varje mellanprodukt i den biologiska nedbrytningsprocessen kan identifieras med en IR mätapparat p.g.a. att varje produkt har en specifik absorption i det infraröda spektrumet. Spektrat i bild 3-1 visar absorption på Y-axeln, det visar hur en specifik funktionell grupp absorberar strålningen på en viss våglängd inom det infraröda området för ljusvågor. Identifiering av ämnen från spektrat sker på så sätt att man använder kända toppar för rena komponenter eller tidigare kända ämnen eller funktionella grupper som kan ses i tabell 3-1 som referens. T.ex. i biogasreaktorer där man vill kontrollera processen upprepade gånger över flera år kan man ha ett optimalt spektra som referens och använda det för att hitta skillnader i rötningarna eller från en tidpunkt till en annan. [13]

13 8 Istället för att söka efter varje ämne individuellt går det både snabbt och enkelt att hitta dessa tack vare FTIR mätningar, det är även mycket billigare i längden även om det kräver en dyr investering inledningsvis för instrumentet. [16] 3.2 Introduktion till ATR Om man ännu specialiserar sig på reflektionsmetoden finns det tre metoder att ta till, Attenuated Total Reflection (ATR), Specular Reflection (SR) och Diffuse Reflection (DRIFT). SR används för jämna ytor och DRIFT för grova ytor. Som vi ser i figur 3-1 samlar ATR in information från provets yta, DRIFT från en bulk matris samt SR från ett ytterst smalt skikt vid ytan. SR provet måste placeras på en reflektiv yta eller så måste materialet i sig själv vara reflekterande. DRIFT fungerar bäst på pulver och fasta ämnen. ATR provet måste vara i kontakt med kristallen under provtagningen. [17] Det speciella med ATR jämfört med mera traditionella infraröda mätningar är att den infraröda strålen inte rör sig igenom proven utan endast reflekteras mot det. D.v.s. den mäter förändringar på själva strålen efter att den kommit i kontakt med provet. I ändan av armen som syns i bild 3-2 finns en liten diamant som kallas ATR kristall. I figur 3-2 ser man hur den inkommande strålen rör sig i kristallen som kan bestå av diamant, Figur 3-1: Skillnaderna på reflektions strålning. [17] zink, germanium eller selenid. I detta projektarbete användes en diamant ATR kristall, i kapitel gås det närmare in på kristallens roll. Den inkommande strålen kallas Incident stråle och den utgående för Försvagad stråle. När incidentstrålen

14 9 träffar kristallen bildas en försvagande våg som penetrerar själva provet till ett djup av 0,5-10 µm. P.g.a. det grunda penetrationsdjupet måste proven vara i bra kontakt med kristallen och det är viktigt att kristallen är totalt fri från föroreningar och den får inte heller ha kontakt med luft. I de områden som den försvinnande vågen absorberar energi kommer det att upptäckas och synas i en graf som bildas i datorn efter att mätningen avslutats. [1] [15] Figur 3-2: Inkommande och utgående infraröd stråle. [1] I denna studie tog en mätning 53 sekunder och totalt mättes ca 500 prov men alla prov skulle tas i flera omgångar så antalet provtagningar blev ca Svårigheter vid mätning Det finns några aspekter av mätningarna som gör de svårgenomförda men med noggrannhet och rutin kan man fortfarande få tillförlitlig data av hög kvalité. [1] En av de viktigaste komponenterna i det infraröda mätinstrumentet är kristallen. Den måste ha ett brytningsindex (n) som är större än provet. Brytningsindex definieras enligt nationalencyklopedin som ljusets hastighet i ett ämne i förhållande till ljusets hastighet i vakuum. Det anger även ett ämnes förmåga att bryta ljus. I detta fall diamant som har ett brytningsindex på 2,42. [20] Vinkeln på incident IR strålen måste stämma och den räknas ut med formeln: =

15 10 Där ϴ representerar vinkel och n brytningsindex för provet och kristallen. Om inte vinkeln är rätt kommer IR strålen inte att reflekteras tillbaka till instrumentet. Se bild 3-1 för ett exempel på hur datorprogrammet och spektra kan se ut. Bild 3-1: Ett exempel på spektrum. Detta spektrum relaterar inte till projektarbetets prover. Det är viktigt att rengöra diamanten efter varje provtagning för att förhindra missvisande mätningar vid nästa spektrum. I denna studie tvättades diamanten med destillerat vatten och tops efter varje provtagning. Latexhandskar användes hela tiden i kontakt med utrustningen. Diamanten får heller inte komma i kontakt med luft eller något annat material än själva provet under mätningens lopp. Därför sänktes mätsensorn helt i proverna före centrifugeringen och diamanten täcktes helt i proverna efter centrifugeringen eftersom då fanns det endast några milliliter att tillgå och därför

16 11 inte tillräckligt för att sänka sensorn som tidigare. Skillnaden och metoden kan observeras i bild 3-2. [20] Bild 3-2: Skillnaderna i mätmetod före och efter centrifugering av prover ATR kristall En av de otvivelaktigt viktigaste komponenterna i mätinstrumenten är ATR kristallen. I tabell 3-2 finns en jämförelse med några av de vanligaste materialen som kristallen kan tillverkas av samt deras egenskaper. AMTIR är ett blandmaterial bestående av germanium, arsenik och selen.

17 12 Tabell 3-2: Tabell över några av de vanligaste kristaller materialen och dess egenskaper. [17] Material Spektralt område (cm -1 ) Brytningsindex (n) Penetrationsdjup (vid 45 och 1000 cm -1 ) (µm) Germanium ,66 Silicon & ,4 0,85 AMTIR ,5 1,77 ZnSe ,4 2,01 Diamant ,42 2,01 Diamant används allmänt för en lång rad av olika prov och fungerar bra för alla oberoende av t.ex. aciditet eller i vilket medium provet finns. Diamant är även mycket tåligt till nötning och skador. Nackdelen är förstås att det är väldigt dyrt men det finns möjligheter att hyra instrument om man endast planerar att använda det en begränsad tid. Projekt Mare Purum hyrde in ett instrument från Åbo Akademi. 3.3 Använt mätinstrument I bild 3-3 syns mätinstrumenten som använts under alla IR mätningar. Det är en ASIReactIR 1000 Fourier Transform Infrared Spectrometer tillverkat av ASI Applied Systems i Millersville i USA. Spektrometern var utlånad från Åbo Akademis kemisktekniska enhet i Åbo till projekt Mare Purum. Nere till vänster i bild 3-3 syns även en silverfärgad behållare innehållande flytande kväve som användes som kylning tills spektrometerns detektor som är tillverkad av kvicksilver, kadmium och tellurium. ATR kristallen var diamant och mjukvaran som medföljer är ReactIR [2]

18 Bild 3-3: ASI ReactIR 1000 Fourier transform infraröd spektrometer. 13

19 14 4 Mjukvara Vartefter tekniken och nya datorprogram utvecklas som är kapabla av att samla in stora mängder av mätvärden samtidigt krävs även analyseringsverktyg som kan hantera informationen. 4.1 MATLAB Matlab är ett vida använt datorprogram för numeriska analyser, beräkningar och programmering som används av hundratusentals ingenjörer, forskare och andra anställda inom den tekniska branschen. Det är designat för att vara effektivare är andra programmeringsspråk, t.ex. java, tack vara alla verktyg och inbyggda funktioner som kan lösa eller analysera komplicerade matematiska problem. [18] De viktigaste funktionerna som Matlab erbjuder är: High-level language for numerical computation, visualization, and application development Interactive environment for iterative exploration, design, and problem solving Mathematical functions for linear algebra, statistics, Fourier analysis, filtering, optimization, numerical integration, and solving ordinary differential equations Built-in graphics for visualizing data and tools for creating custom plots Development tools for improving code quality and maintainability and maximizing performance Tools for building applications with custom graphical interfaces Functions for integrating MATLAB based algorithms with external applications and languages such as C, Java,.NET, and Microsoft Excel [19] 4.2 PLS Toolbox PLS tar sitt namn från Partial Least Squares regression method och är en toolbox till programmet Matlab och kan inte användas på egen hand. PLS kräver minst MATLAB 7.x eller högre och det fungerar på alla operativsystem som klarar av Matlab inklusive Windows, MacOS, Unix och Linux. Senaste versionen av PLS är som har utgetts i januari Inom sin nisch är PLS det bästa alternativet för avancerade kemometriska multivariata analyser. Med det menas att PLS kan behandla statistisk data som består av många variabler som skall analyserar gemensamt, istället för en och en, i kemiska

20 15 processer. Man får ett bättre resultat om man undersöker variablerna som en helhet i form av matriser eller vektorer istället för enskilt. Redan namnet antyder på vad som är programmets funktion eftersom regression metoden är process för att uppskatta samband mellan variabler och den används ofta till att förutspå händelser baserat på de givna mätvärdena. De yrken som ofta använder sig av PLS är kemiingenjörer, analytiker inom kemi och andra forskare som fokuserar på analysering. [19] De viktigaste funktionerna som PLS erbjuder är: Data Exploration and Pattern Recognition (Principal Components Analysis (PCA), Parallel Factor Analysis (PARAFAC), Multiway PCA, Tucker Models...) Classification (SIMCA, k-nearest neighbors, PLS Discriminant Analysis, Support Vector Machine Classification, Clustering (HCA)...) Linear and Non-Linear Regression (PLS, Principal Components Regression (PCR), Multiple Linear Regression (MLR), Classical Least Squares (CLS), Support Vector Machine Regression, N-way PLS, Locally Weighted Regression, Polynomial PLS...) Design of Experiment (DOE) tools for designing and analyzing experiments Self-modeling Curve Resolution, Pure Variable Methods (Multivariate Curve Resolution (MCR), Purity (compare to SIMPLSMA), CODA_DW, CompareLCMS...) Curve fitting and Distribution fitting and analysis tools Instrument Standardization (Piece-wise Direct, Windowed Picewise, OSC, Generalized Least Squares Preprocessing...) Advanced Graphical Data Set Editing and Visualization Tools Advanced Customizable Order-Specific Preprocessing (Centering, Scaling, Smoothing, Derivatizing, Transformations, Baselining...) Missing Data Support (SVD and NIPALS) Variable Selection (Genetic algorithms, IPLS, Selectivity, VIP...) [6] PLS i detta projekt Först används ett Matlab script för att omstrukturerar datan från IR mätningarna för input till PLS_Toolbox. Innan programmet används så skiljer man på X-block och Y-block och det är alltså meningen att hitta korrelationen mellan dessa. Efter att datan analyserats beräknas olika parametrar för att beskriva hur bra modellen är. RMSEC (= Root Mean Squares Error of Calibration), RMSECV (= Root Mean Squares Error of Cross Validation) och RMSEP (= Root Mean Squares Error of Prediction) är sådana parametrar som beskriver noggrannheten. RMSEC och RMSECV beskriver hur bra PLS modellerna

21 16 passar in på kalibreringsdatan medan RMSEP beskriver noggrannheten på valideringsdatan. I X-blocket laddas spektrum datan upp och i Y-blocket den motsvarande referensdatan. Efter att det laddas upp väljer man den s.k. förbehandlingsmetoden som i dessa mätningar betyder derivata, autoscale eller mean center. Autsocale innebär att man subtraherar medelvärdet från varje spektrum och dividerar med standardavvikelsen och mean center betyder att man i tar bort medelvärdet. Nästa steg är att välja korsvalideringsmetod som betyder att man väljer en metod för att få en lämplig mängd PLS komponenter och för att få en bra modell, den vanligaste metoden kallas venetian blinds. Metoden innebär att varje X te objekt i datasettet väljs med jämna mellanrum. [7] Efter att allt är inställt så ger PLS_Toolbox en modell och RMSEC och RMSECV värdena som kan ses i kapitel 7. Det är oftast nödvändigt att prova flera förbehandlingsmetoder för att få så bra resultat som möjligt. När modellen är som bäst laddas valideringsdata upp till programmet som används för att bäst kolla modellens noggrannhet när det gäller förutspående av prov med okänd koncentration.

22 17 5 Prover Detta kapitel kommer att göra det lättare att förstå vad som processproverna innehåller, var och hur de tagits ifrån samt hur de har blivit spetsade. Alla förberedelser var redan gjorda innan detta examensarbete inleddes. Samma prov som i Marco Dörings avhandling har använts utan modifiering, se källhänvisning nummer 5. Sammanfattningsvis kom proverna från två reaktorer i laboratorieskala på 38 l under konstant omrörning. Biogasreaktorer fylls aldrig fullständigt och dessa var fyllda till 27 l. Mikroorganismerna eller "kulturen" på 3 l som används för att starta nedbrytningen togs från Ab Stormossen Oy. Substratet bestod av 2/3 svinsväm, 1/6 fiskrens och 1/6 växthusavfall. [3] Speciellt svinsväm som substratet till största del bestod av har länge sett som endast en restprodukt. Förutom fördelarna med minskade växthusgasutsläpp och bildandet av biogas så är rötresten från anaerobisk rötnings bättre än ren svinsväm att använda som gödsling. Det luktar mindre så därför stör det minde människor som bor i närheten och det har även en lägre koncentration av organisk förorening så därför är det bättre för odlingsmarken i.o.m. att det är en minskad risk för giftskador på skörden. [12] 5.1 Processprov Varannan eller var tredje dag används en vakuumpump för att ta en liter från vätskefasen i biogasreaktorerna. Den litern delas sedan upp i 14 stycken 100 ml plastflaskor med 50 ml i varje flaska och placerades för förvaring i en frys efter att de noggrant märkts med vattenfast tusch. Den mängd som blir över av vätskefas provet sparades även det i frysen för senare bestämning av ammoniumhalt och torrsubstanshalt. För exakt utförande av dessa experiment se Marco Dörings avhandling kapitel 5.2 för bestämning av ammoniumhalt och 5.3 för bestämning av torrsubstanshalt. Totalt togs 33 processprov som delades upp i 14 prov vardera som totalt blev 462 mätflaskor innehållande processprover. [5] 5.2 Rena komponenter Från rena komponenter, i detta fall ammoniumklorid, ammoniumsulfat, kalciumpropionat, magnesiumacetat, natriumacetat och natriumpropionat får man pure spectra som kan användas för jämförelse med spektrumen som man senare får vid

23 18 mätning av reaktorproverna. Det finns databaser över vilka ämnen som har vilka toppar, d.v.s. vad deras våglängd är men det är även en bra idé att ta specifik data för varje enskilt instrument. 5.3 Spetsning av processprov Med spetsning menas att man tillsätter en analyt med känd mängd till en matris som är liknande eller identisk med processproven. Valet av beståndsdelar för spetsningen berodde på förväntade höga halter av liknande ämnen i processproverna samt att beståndsdelarna skulle vara molekylärt definierade. Därför valdes ammonium, acetat och propionat samt att kalibreringsmodeller för TVFA (= Total Volatile Fatty Acids) bedömdes. Även om beståndsdelarna valdes primärt med tanke på Marco Dörings NIR (=Near Infrared Spectroscopy) mätningar så är de även viktiga för den anaeroba nedbrytningsprocessen i biogasreaktorer. Exempelvis behövs ammonium för tillväxt av mikroorganismer samtidigt som för mycket ammonium försämrar bildandet av biogas. [3] Tillverkning av spetslösningar För att få ammonium-, acetat- och propionat lösningar användes ammoniumsulfat, magnesiumacetat och kalciumpropionat salter för respektive lösning. 600 ml destillerat vatten placerades i en behållare och en exakt mängd salt (uträknat med dator) löstes upp med hjälp av en uppvärmd magnetomrörare. En uppvärmd magnetomrörare fungerar så att man placerar en stavmagnet i behållaren som sedan placerar ovanpå en uppvärm platta med roterande magnetfält som gör att stavmagneten i behållaren roterar snabbt och därmed rör om lösningen. Efter att man kunde se att allt salt var upplöst fylldes alla behållare på tills de innehöll exakt 750 ml saltlösning med en koncentration på 100 g/l av respektive salt. För varje av dessa tre salter tillverkades senare tre serier på olika lösningar vardera där koncentrationen varierade mellan 0,5 g/l till 5 g/l. Förutom dessa tre serier användes även ammoniumklorid, natriumacetat samt natriumpropionat salter på samma sätt för att vardera bilda en 200 ml lösning med en koncentration på 5 g/l. Skillnaden här var att man tömde 170 ml destillerat vatten i de tre flaskorna, använde den uppvärmda magnetomröraren tills alla salt var upplöst och sedan fyllde på till man hade exakt tre gånger 200 ml. Dessa lösningar späddes sedan ut ytterligare för att bilda samma typ av serier som tidigare nämnts med koncentrationer